Aplicação do algoritmo SAFER na determinação da evapotranspiração em condições de sazonalidade climática no noroeste paulista

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1 Aplicação do algoritmo SAFER na determinação da evapotranspiração em condições de sazonalidade climática no noroeste paulista Renato Alberto Momesso Franco 1 Fernando Braz Tangerino Hernandez 1 Antônio Heriberto de Castro Teixeira 2 1 Universidade Estadual Paulista UNESP Caixa Postal Ilha Solteira SP, Brasil 2 EMBRAPA - Monitoramento por Satélite Caixa Postal Campinas - SP, Brasil Abstract. Satellite data represent good input information for estimating surface radiation balance in using remote sensing data together with agrometeorological data it is possible to determine the evapotranspiration (ET) in large scale, being based largely on the energy balance theories. The study aimed to estimate the temporal variation of regional flows of the surface radiation balance at different types of agroecosystems through the SAFER (Simple Algorithm for Retrieving Evapotranspiration) algorithm and seasonal climatic conditions in northeastern São Paulo. The highest rates of λe/r n occurred on Julian day 171 and the lowest in Julian day 251. The highest H/R n occurred on day 251 and day 171 the smallest. The largest variations in the daily evapotranspiration occurred in the dry season and lowest after the rainy season in the region. Keywords: remote sensing, sensible heat flux, latent heat flux sensoriamento remoto, fluxo de calor sensível, fluxo de calor latente 1. Introdução Para obter um manejo eficiente do uso da água na agricultura irrigada é importante a obtenção de informações agrometeorológicas que auxiliam no gerenciamento dos recursos hídricos. Sendo os dados de evapotranspiração (ET) frequentemente utilizados como critério fundamental nas operações de irrigação, no cálculo do balanço hídrico e no zoneamento agroclimatológico. A região noroeste do Estado de São Paulo apresenta a maior taxa de evapotranspiração do Estado (HERNANDEZ et al., 2003) e por essa razão, a agricultura irrigada é dependente de informações agrometereorológicas, para um manejo de água eficiente que vise o fornecimento da quantia necessária de água para repor o déficit hídrico das culturas agrícolas. Recentemente, o desenvolvimento de pesquisa para o uso eficiente da água na produção agrícola e aplicação do uso do sensoriamento remoto como ferramenta para a análise e gestão dos recursos hídricos tornou-se uma tendência de estudo e pode ser verificada em diversos trabalhos científicos (TEIXEIRA, 2012b; TEIXEIRA et al., 2012c, 2013c, 2013d; TEIXEIRA; LOPES; HERNANDEZ, 2013b; TEIXEIRA et al., 2013e; BASTIAANSSEN et al., 2014; FRANCO; HERNANDEZ; TEIXEIRA, 2014; TEIXEIRA et al., 2014b, 2014c). A quantificação dos fluxos de energia na superfície terrestre via sensoriamento remoto em conjunto com dados agrometeorológicos possibilita a determinação da taxa de evapotranspiração em larga escala. O algoritmo SAFER (Simple Algorithm for Retrieving Evapotranspiration) estima a ET através de parâmetros biofísicos obtidos pelo uso de 3189

2 Anais XVII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, João Pessoa-PB, Brasil, 25 a 29 de abril de 2015, INPE sensoriamento remoto associado aos dados diários de estações agrometeorológicas e tem a vantagem de não utilizar informações de classificação das culturas nem de condições extremas de seca, podendo-se ser feitas análises de tendências históricas (TEIXEIRA, 2012a). O algoritmo é baseado na equação de Penman-Monteith e utiliza a taxa de ET/ET0 em conjunto com dados de sensoriamento remoto, a partir desta relação obtém-se a ET com dados de evapotranspiração de referência (ET0 ) estimados através de estação meteorológicas (TEIXEIRA, 2012b, 2010). O presente estudo teve como objetivo estimar a variação espacial e temporal dos fluxos do balanço de energia da superfície terrestre via sensoriamento remoto em diferentes tipos de agroecossistemas, com aplicação do algoritmo SAFER em larga escala para a determinação da evapotranspiração em condições de sazonalidade climática na porção noroeste do Estado de São Paulo. 2. Metodologia de Trabalho 2.1. Área de estudo e dados agrometeorológicos A área de estudo localiza-se próximo a divisa entre os Estados de Mato Grosso do Sul (MS) e São Paulo (SP) (Figura 1). Na porção noroeste do Estado de São Paulo, os municípios de Itapura e Ilha Solteira apresentam diferentes tipos de agroecossistemas, com destaque para o cultivo de cana-de-açúcar e culturas anuais. No Estado de MS, no município de Selvíria a principal cultura agrícola em destaque é o eucalipto para a produção de celulose e papel. Figura 1: Mapa de localização da região de estudo e os diferentes tipos de uso e ocupação do solo - Imagem Landsat TM-5, composição de falsa cor, nos canais R (4) G (3) B (2). No agroecossistema foram identificados diferentes tipos de alvos e foram delimitados conforme suas características de uso e ocupação do solo. Os tipos de uso e ocupação analisados e suas áreas foram: pivô (2537,5 ha); eucalipto (309,9 ha); cana-de-açúcar (535,2 ha) e fragmento de mata (535,4 ha). No ano de 2011, os municípios de Itapura e Ilha Solteira ficaram com 121 dias sem chuva, 3190

3 entre os dias nove de junho a oito de outubro. No dia nove de junho registrou-se precipitação de 50,3 mm em Ilha Solteira, após essa chuva o período foi de estiagem na região. O perído entre 09/06/2011 a 09/10/2011 apresenta precipitação acumulada de 113,9 mm e ET 0 acumulada de 543,5 mm (UNESP, 2014). Os dados meteorológicos obtidos de radiação solar global incidente (RS ), temperatura do ar (T a ) e evapotranspiração de referência (ET 0 ) calculado pelo método de Penman-Monteith foram obtidos na estação agrometeorológica de Ilha Solteira (UNESP, 2014), localizada nas coordenadas ,4 S e ,1 W. Damião et al. (2010) determinaram o balanço hídrico para o município de Ilha Solteira, no período de 2000 a 2010 e obteve precipitação média anual de mm e a evapotranspiração média anual de mm e a região se caracterizou por apresentar sete meses com deficiência hídrica (abril a outubro) com o total anual de 442 mm e excedente hídrico de 296 mm, considerando uma Capacidade de Água Disponíveis (CAD) de 40 mm. Para a análise escolheram-se duas imagens do satélite Landsat - Thematic Mapper 5 após o período de chuva, com data de 20/06/2011 e a outra em condição de seca, com data de 08/09/2011. As imagens utilizadas no estudo foram obtidas no INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais), correspondem ao Ponto 223 e Órbita 74, do ano e dias julianos (DJ), respectivamente: 2011/171; 2011/ Modelagem dos parâmetros biofísicos As etapas para a modelagem dos componentes de energia e obtenção da evapotranspiração aplicou-se o procedimento metodológico adotado por Teixeira et al. (2013a) que possibilitaram a obtenção dos seguintes parâmetros: a reflectância monocromática de cada banda (ρλ); albedo planetário α b ; albedo de superfície (α 0 ); saldo de radiação (R n ); fluxo de calor latente (λe); o fluxo de calor sensível (H); o fluxo de calor no solo (G); a temperatura de brilho (T b10,11 ) das bandas 10 e 11; a radiação solar global incidente (RS ), radiação de onda longa emitida pela superfície terrestre (RL ); a radiação de onda longa emitida pela atmosfera (RL ); a temperatura da superfície (T 0 ) e o Índice de Vegetação da Diferença Normalizada (NDVI - Normalized Diference Vegetation Index). Para a elaboração do algoritmo SAFER os parâmetros de sensoriamento remoto foram inclusos na Equação 1 para a obtenção da evapotranspiração atual (ET ) em larga escala, conforme equação abaixo (TEIXEIRA, 2010): [ ( )] ET T 0 = exp a + b (1) ET 0 α 0NDV I onde, a e b são coeficientes de regressão; sendo a = 1, para a região noroeste paulista (TEIXEIRA et al., 2014a) e b = -0, Resultados e Discussões A taxa de ET 0 acumuladas foram superiores entre os meses de maio a setembro e nos meses de outubro, dezembro, janeiro, fevereiro, março e abril os valores de precipitação acumulada mensal foram superiores em relação a taxa de ET 0 (Figura 1a). Os menores valores de RS medido na estação agrometeorológicas no ano de 2011 ocorreram nos meses de junho e julho e o maior valor médio de RS ocorreu no mês de novembro (Figura 1b). Na Tabela 1, estão os valores médios para os componentes do balanço de energia em diferentes tipos de uso e ocupação do solo para cada DJ analisado. A RS para o dia 20 de junho foi de 16,1 MJ m 2 d 1 e para o dia 08/09/2011 foi de 21,5 MJ m 2 d 1. Os valores de R n obtidos estão diretamente relacionados com os valores de RS, 3191

4 (a) Precipitação e ET 0 acumulada mensal. (b) Média mensal de RS. Figura 2: Dados agrometeorológicos do ano de 2011, município de Ilha Solteira-SP. pois este último componente é o de maior influência no balanço de radiação. O menor valor de R n ocorreu no DJ 171 devido o período de solstício de inverno no hemisfério sul. Os valores da taxa de R n /RS no mês de junho ficaram entre de 36% e 38% e no mês de setembro variaram entre 47% a 50%. Valores da taxa de R n /RS próximo de 50% confirma as medições realísticas do balanço de energia com informações obtidas tanto com dados de campo e sensoriamento remoto (TEIXEIRA et al., 2008). Após o período de chuva observa-se que a superfície terrestre analisada pela imagem do DJ 171 (20/06/2011) encontrava-se em condições de umidade, pois a maior parte da energia disponível foi utilizada na evapotranspiração, o que representou na relação λe/r n valores de 63% da R n na área irrigada por pivôs. Na mesma região, Franco et al. (2013) encontraram valores de 63% para a razão λe/r n no mês de julho (DJ: 196) em área irrigada por pivôs. Para os usos eucalipto e fragmento de mata a taxa de λe/r n foi de 77% e 68%, respectivamente (Tabela 1). Enquanto que os valores da relação H/R n foram inferiores para os pivôs, com valor de 37% de R n que foi convertido em calor sensível e o maior valor desta relação foi para o uso cana-de-açúcar, com 54% da R n convertido em H e aumento da T 0 (301,6K; 28,45 C). No período seco, os valores registrados dos alvos analisados através da imagem do dia 08/09/2011 demostram que todos os tipos de uso apresentam taxas de λe/r n com valores inferiores a taxa de H/R n. Para a cana-de-açúcar 88% de R n foi convertido em H, apenas 12% de R n foi convertido em λe e as menores taxa ocorreram na área de pivô, fragmento de mata e eucalipto (Tabela 1). Na Tabela 2 os valores médio dos parâmetros de sensoriamento remoto para cada tipo de uso e ocupação do solo. Os maiores valores de NDVI ocorreram na imagem do DJ 171 devido a dependência do índice com a precipitação (TEIXEIRA; HERNANDEZ; LOPES, 2012d) e os menores valores ocorreu na imagem do DJ 251. Na porção nordeste do Estado de São Paulo Teixeira et al. (2014b) encontraram valores entre 0,20 a 0,88 de NDVI no período chuvoso para a canade-açúcar e redução no período seco, entre os meses de agosto e outubro. No DJ 171 os usos eucalipto e fragmento de mata apresentaram os maiores valores de NDVI; no mês de junho (15/11/2011), Franco et al. (2013) encontram valores de 0,48 para o uso fragmento de mata e 0,58 para área irrigada por pivô. Os usos eucalipto e fragmento de mata apresentam os menores valores. Na imagem do DJ 171 os valores são inferiores em relação ao DJ 251, sendo os usos eucalipto e fragmento de mata com valores médios de 0,15 e os usos pivô e cana-de-açúcar com médias de 0,17, os baixo 3192

5 Tabela 1: Valores médios dos componentes do balanço de energia na superfície terrestre em diferentes tipos de uso e ocupação do solo. Componentes de energia DJ Pivôs Cana-de-açúcar Eucalipto Fragmento de mata RS 16,1 16,1 16,1 16,1 RS 2,80 2,81 2,56 2,48 RL 31,47 31,47 31,47 31,47 RL ,96 38,96 38,96 38,96 R n 5,79 5,78 6,05 6,11 R n /RS 0,36 0,36 0,38 0,38 λe/r n 0,63 0,46 0,77 0,68 H/R n 0,37 0,54 0,23 0,32 RS 21,5 21,5 21,5 21,5 RS 4,32 4,15 3,58 3,79 RL 34,37 34,37 34,37 34,37 RL ,54 41,54 41,54 41,54 R n 10,01 10,18 10,75 10,55 R n /RS 0,47 0,47 0,50 0,49 λe/r n 0,41 0,12 0,29 0,34 H/R n 0,59 0,88 0,71 0,65 Tabela 2: Valores médios dos parâmetros de sensoriamento remoto em diferentes tipos de uso e ocupação do solo. Parâmetros DJ Pivôs Cana-de-açúcar Eucalipto Fragmento de mata NDVI 0,56 0,52 0,70 0,61 α ,17 0,17 0,15 0,15 T 0 301,1 K 301,5 K 299,7 K 300,4 K NDVI 0,35 0,33 0,55 0,41 α ,20 0,18 0,16 0,17 T 0 308,0 K 308,4 K 306,0 K 307,4 K valores deve-se a redução nos valores de RS neste período. Na região de Petrolina, (TEIXEIRA et al., 2013d) encontraram valores elevados de α 0 no mês de novembro e baixos nos meses de abril e setembro. Um outro fator é a condição de umidade do solo que favorece a redução de α 0 (TEIXEIRA et al., 2008, 2014a) e esta condição foi verificada após a precipitação de 50,3 mm, ocorrida em 09/06/2011 e que provavelmente influenciaram na redução dos valores de α 0. Os valores de T 0 foram superiores na imagem do DJ 251 e a maior T 0 ocorreu no uso canade-açúcar com valor de 308,4 K (35,27 C), nesta condição observou-se o aumento na relação H/R n com 88% de R n foi convertido em calor sensível e aumento na temperatura (Tabela1). Os usos eucalipto e fragmento de mata apresentaram valores de 306,0 K (32,86 C) e 307,2 K (34,08 C), respectivamente. Na imagem do DJ 171 os valores foram baixos e o uso fragmento de mata e eucalipto com os menores valores médios (Tabela 2). Os valores médios de α 0 são superiores na imagem do DJ 251 e o uso pivô apresenta os maiores valores, provavelmente devido ao solo exposto nas áreas de pivô em pousio. (GIONGO et al., 2010) verificaram albedo em solo exposto acima de 20%. No DJ 171, a evapotranspiração diária no uso pivô apresentou valor máximo de 2,79 mm 3193

6 d 1 e média de 1,44 mm d 1 (DP:± 0,61 mm d 1 ). No mês de julho, no município de Sud- Mennucci encontraram valor médio de 1,78 mm d 1 para a área irrigada (FRANCO et al., 2013) (Figura 3). O uso cana-de-açúcar com valor máximo de 1,93 mm d 1 e média de 1,03 mm d 1 (DP:± 0,50 mm d 1 ). O uso eucalipto ficou com valor máximo de 2,42 mm d 1 e média de 1,76 mm d 1 (± 0,38 mm d 1 ) e o uso fragmento de mata com valor máximo de 2,43 mm d 1 e média de 1,39 mm d 1 (± 0,60 mm d 1 ) (Figura 3). A condição de umidade do solo favorecida pela precipitação de 50 mm, ocorrida no dia nove de junho de 2011, é verificada na imagem do DJ 171 (20/06/2011) com uniformidade nos valores de ET, com pequenas variações espaciais nos diferentes tipos de usos analisados, principalmente os usos eucalipto e fragmento de mata. Figura 3: Distribuição espacial dos valores de ET para os diferentes tipos de uso e ocupação do solo - junho de 2011 (DJ: 171). Figura 4: Distribuição espacial dos valores de ET para os diferentes tipos de uso e ocupação do solo - setembro de 2011 (251). Para o DJ 251 a evapotranspiração diária máxima das áreas irrigadas foi de 4,52 mm d 1, média de 1,84 mm d 1 e com o segundo maior valor de desvio padrão (DP) para esse período 3194

7 (DP:± 1,08 mm d 1 ) (Figura 4), essa variação espacial pode ser justificada pela dinâmica das áreas irrigadas que apresentam solo exposto, em decorrência da colheita e/ou o período de pousio nas áreas irrigadas. A cana-de açúcar ficou com valor máximo de 1,33 mm d 1 e média de 0,59 mm d 1 (DP: ± 0,35 mm d 1 ) (Figura 4). O uso eucalipto ficou com valor máximo de 1,97 mm d 1 e média de 1,16 mm d 1 (DP: ± 0,46 mm d 1 ) (Figura 4). O uso fragmento de mata ficou com o valor máximo de evapotranspiração diária de 4,7 mm d 1, média de 2,13 mm d 1 e com o maior valor de desvio padrão (DP: ± 1,23 mm d 1 ) (Figura 4). 4. Conclusões Os valores médios das estimativas dos componentes do balanço de energia e da evapotranspiração em diferentes tipos de uso e acupação do solo com aplicação do algoritmo SAFER e uso de imagens Landsat 5 - TM mostraram-se coerentes com a literatura. As maiores variações nos valores de evapotranspiração diária ocorreram no período de estiagem e as menores variações no período após a chuva. Os resultados inciais mostraram que o algoritmo SAFER possibilitou a identificação da variabilidade espacial da ET em condições de sazonalidade climática, demostrando a sua suscetibilidade a diferentes tipos de uso e ocupação do solo e tornando-se assim, uma ferramenta no monitoramento dos recursos hídricos. Referências BASTIAANSSEN, W. G. et al. Earth Observation Based Assessment of the Water Production and Water Consumption of Nile Basin Agro-Ecosystems. Remote Sensing, v. 2, n. 6, p , Disponível em: <www.mdpi.com/journal/remotesensing>. DAMIÃO, J. et al. Balanço hídrico da região de Ilha Solteira, noroeste paulista. In: CONIRD CONGRESSO NACIONAL DE IRRIGAÇÃO E DRENAGEM. Anais.. Brasília-DF: ABID - Asociação Brasileira de Irrigação e Drenagem, v. 20, p FRANCO, R. A. M.; HERNANDEZ, F. B. T.; TEIXEIRA, A. H. C. Water productivity of different land uses in watersheds assessed from satellite imagery Landsat 5 Thematic Mapper. In: NEALE, C. M. U.; MALTESE, A. (Ed.). Proc. of SPIE. Bellingham, WA USA: SPIE, v. 9239, p E E 7. Disponível em: <http://dx.doi.org/ / >. FRANCO, R. A. M. et al. Avaliação do balanço de energia em diferentes tipos de uso e cobertura da terra na região noroeste do Estado de São Paulo. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE SENSOREAMENTO REMOTO (SBSR). Anais... São José dos Campos: INPE, p GIONGO, P. R. et al. Albedo à superfície a partir de imagens Landsat 5 em áreas de cana-de-açúcar e cerrado. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, v. 14, n. 3, p , HERNANDEZ, F. B. T. et al. Simulação e efeito de veranicos em culturas desenvolvidas na região de Palmeira d Oeste, Estado de São Paulo. Engenharia Agrícola, v. 23, n. 1, p , TEIXEIRA, A. C. et al. Large-scale water productivity assessments with modis imagens in changing semi-arid environment: A Brazilian case study. Remote Sensing, v. 5, n. 11, p , November 2013c. TEIXEIRA, A. H. C. Determining regional actual evapotranspiration of irrigated and natural vegetation in the São Francisco river basin (Brazil) using remote sensing an Penman-Monteith equation. Remote Sensing, v. 2, n. 5, p ,

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